以有限元素法對電機磁場分析之研究 盧孝銘、胡永柟
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摘 要
本論文主要探討發電機如何得到較高的輸出電壓，此發電機為單相永磁式同步發電機，定子繞組為四組串聯的集中繞組線 圈，轉子為八極，採用永久磁石激磁。 首先，從轉子的結構及激磁的磁石材料著手，再應用Ansoft公司所提供的套裝軟 體Maxwell 2D，以二維非線性靜磁場有限單元分析法來進行發電機的電磁場、磁力與轉矩性能分析，以計算開路輸出電壓
。在各種不同的磁石與結構組合所產生的輸出電壓，選擇最理想的發電機。 本文是以三種不同磁石材質AlNiCo5
、SmCo28、NdFe35並以徑向充磁及非導磁性材料兩種結構共六種模式使用套裝軟體特性分析，以特性而言，NdFe35最好
，SmCo28次之，AlNiCo5最差，以結構而言，徑向充磁結構優於非導磁性結構。對於電機設計者來說其成本、溫度等因素 也必須加以考慮的。
關鍵詞 : 有限元素法、電磁場分析、永磁式同步發電機、非線性靜磁場。
目錄
封面內頁 簽名頁 授權書．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．iii 中文摘要．．．．．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．iv 英文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．v 誌謝．．．．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．vi 目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．vii 圖目錄．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．．．．ix 表目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．xi 第一章 緒論 1.1 研究動機與目的．．．．．．．．．．．．．． 1 1.2 系統架構與研究步驟．．．．．．．．．．．． 2 1.2.1 系統架構．
．．．．．．．．．．．．． 2 1.2.2 研究步驟．．．．．．．．．．．．．． 4 1.3 論文內容大綱概述．．．．．．．．
．．．．． 4 第二章 有限元素法數值分析 2.1簡介．．．．．．．．．．．．． ．．．．．． 5 2.2 Maxwell模組的原理
．．．．．．．．． ．．． 5 2.3線路方程式．． ．．．．．．．．．．．．．．13 2.4力矩的計算．．．．．．．．．．
． ．．．．．16 第三章 磁效應理論 3.1磁極化與磁導係數 ．．．．．．．．．．．．．17 3.2磁雙極與磁雙極矩 ．．．
．．．．．．．．．．19 3.3反磁性與順磁性 ．．．．．．．．．．．．．．22 3.4反強磁性與磁鐵性 ．．．．．．．．
．．．．．27 3.5磁伸縮現象 ．．．．．．．．．．．．．．．．29 第四章 永久磁石的材料 4.1 概述．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．33 4.2 磁性材料用於電路元件的特色．．．．．．．．34 4.3 磁性材料的分類．．．．．．．．
．．．．．．36 4.4 磁石的特性曲線．．．．．．．．．．．．．．41 第五章 模擬過程及結果 5.1模型規格的建構 ．．
．．．．．．．．．．．．53 5.2徑向充磁的轉子結構模擬分析 ．．．．．．．．56 5.3嵌入非導磁性的轉子結構模擬分析
．．．．．．59 5.4徑向充磁的轉子結構比較分析 ．．．．．．．．63 5.5嵌入非導磁性的轉子結構比較分析 ．．．．．
．65 5.6性能討論 ．．．．．．．．．．．．．．．．．67 第六章 結論 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
．68 參考文獻 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．69 圖目錄 圖1.1軟體模擬製作流程圖．．．．．．．．
．．．．．．． 3 圖2.1線性材料及非線性材料之能量關係圖．．．．．．．． 8 圖3.1永久磁雙極的排列情形．．．．．
．．．．．．．．．22 圖3.2 /N －X 函數曲線．．．．．．．．．．．．．．25 圖4.1磁性體的能量轉換．．．．．．．
．．．．．．．．．35 圖4.2永久磁石的B－H曲線圖．．．．．．．．．．．．．40 圖4.3磁滯迴線．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．42 圖4.4減磁曲線及能量曲線．．．．．．．．．．．．．．．43 圖4.5回歸線．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．43 圖4.6永久磁石的減磁曲線．．．．．．．．．．．．．．．45 圖4.7簡易磁路模型．．．
．．．．．．．．．．．．．．．47 圖4.8簡易磁路模型的操作點的變化．．．．．．．．．．．47 圖4.9磁路模型．．．
．．．．．．．．．．．．．．．．．51 圖4.10 NeFe35磁石之操作點變化情形．．．．．．．．．．52 圖5.1發電機結構 剖面圖．．．．．．．．．．．．．．．．54 圖5.2定子鐵心B－H 特性曲線圖．．．．．．．．．．．．55 圖5.3徑向充 磁的轉子結構模型圖．．．．．．．．．．．．56 圖5.4徑向充磁－鋁鎳鈷磁石的靜態磁場模擬圖．．．．．．56 圖5.5徑 向充磁－鋁鎳鈷磁石兩磁極的B曲線模擬圖．．．．57 圖5.6徑向充磁－釤鈷磁石的靜態磁場模擬圖．．．．．．．57 圖5.7徑向充磁－釤鈷磁石兩磁極的B曲線模擬圖．．．．．58 圖5.8徑向充磁－銣鐵磁石的靜態磁場模擬圖．．．．．．
．58 圖5.9徑向充磁－銣鐵磁石兩磁極的B曲線模擬圖 ．．．．59 圖5.10 嵌入非導磁材料的轉子結構模擬圖．．．．．．
．．59 圖5.11 嵌入非導磁－鋁鎳鈷磁石的靜態磁場模擬圖．．．．60 圖5.12嵌入非導磁－鋁鎳鈷磁石兩磁極的 B曲線模擬 圖．．60 圖5.13嵌入非導磁－ 釤鈷磁石的靜態磁場模擬圖．．．．．61 圖5.14嵌入非導磁－釤鈷磁石兩磁極的 B曲線模擬 圖．．．61 圖5.15嵌入非導磁－ 銣鐵磁石的靜態磁場模擬圖．．．．．62 圖5.16嵌入非導磁－銣鐵磁石兩磁極的 B曲線模 擬圖．．．62 圖5.17徑向充磁－三種磁石的 Energy比較圖．．．．．．．63 圖5.18徑向充磁－三種磁石的Flux比較圖．．
．．．．．．63 圖5.19徑向充磁－三種磁石的Torque比較圖．．．．．．．64 圖5.20徑向充磁－ 三種磁石的Force比較圖
．．．．．．．64 圖5.21嵌入非導磁－三種磁石的 Energy比較圖．．．．．．65 圖5.22嵌入非導磁－三種磁石的Flux比較 圖．．．．．．．65 圖5.23嵌入非導磁－三種磁石的Torque比較圖．．．．．．66 圖5.24嵌入非導磁－ 三種磁石的Force 比較圖．．．．．．66 表目錄 表3.1 反強磁性物質之溫度．．．．．．．．．．．．．．28 表3.2 各種磁性材料 與 之值．
．．．．．．．．．．31 表4.1 各種永久磁石的特性．．．．．．．．．．．．．．33 表4.2 磁性材料的分類及材料．．
．．．．．．．．．．．37 表4.3 純鐵磁特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．37 表4.4 MK系磁石鋼特性．．．．
．．．．．．．．．．．38 表4.5 非磁性合金成分．．．．．．．．．．．．．．．．39 表5.1 發電機的規格表．．．．
．．．．．．．．．．．．51 表5.2 三種永久磁石的特性．．．．．．．．．．．．．．52 參考文獻
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